Ahli astronomi memetakan bahan gelap secara tidak langsung, melalui tarikan graviti pada objek lain.
Paul M. Sutter adalah ahli astrofizik di Universiti Negeri Ohio, tuan rumah dari Tanya Spaceman dan Radio Angkasa, dan pengarang "Tempat Anda di Alam Semesta."Sutter menyumbang artikel ini kepada Suara Pakar Space.com: Op-Ed & Wawasan.
Kajian moden di seluruh alam semesta, cabang sains yang dikenali sebagai kosmologi, berutang statusnya sekarang kepada banyak tokoh terkenal, yang telah berlangsung selama lebih dari satu abad penyelidikan khusus dan sukar dimenangkan.
Beberapa nama ini mungkin tidak asing lagi: Albert Einstein, Edwin Hubble, Vera Rubin, dll. Tetapi baru-baru ini jawatankuasa Hadiah Nobel menyedari sumbangan nama yang mungkin tidak anda kenali, Jim Peebles, dan memberinya separuh daripada anugerah fizik 2019, "untuk sumbangan untuk pemahaman kita mengenai evolusi alam semesta dan tempat Bumi di alam semesta."
Cukuplah untuk mengatakan, kosmologi tidak akan berada di tempat seperti sekarang tanpa usaha Jim Peebles. Satu perkara untuk menyatakan Model Big Bang dalam kesederhanaan baju-belakang (misalnya, "alam semesta dulu lebih kecil dan panas, dan sekarang tidak"), tetapi perkara yang sama sekali berbeza untuk mengubahnya menjadi rumusan matematik tepat yang mampu membuat ramalan untuk dibandingkan dengan pemerhatian. Adalah adil untuk mengatakan bahawa Peebles membantu mengubah kosmologi dari "idea yang kemas dan umumnya betul" menjadi "bidang sains sebenar." Mari kita terokai tiga jalan utama di mana pandangannya telah membimbing kita:
Latar belakang gelombang mikro kosmik
Sekiranya alam semesta awal lebih kecil daripada yang ada sekarang, maka semestinya alam semesta lebih panas dan padat. Dan setelah anda menerima kenyataan ini, anda dengan cepat menyedari bahawa, pada suatu ketika di masa lalu, Alam semesta mesti begitu lebat dan panas sehingga wujud dalam keadaan jirim yang sama sekali berbeza.
Lebih dari 13 bilion tahun yang lalu, ketika alam semesta kira-kira sepersepuluh jilidnya saat ini, semua barang di kosmos dihancurkan bersama sehingga menjadi plasma, keadaan jirim di mana elektron-elektron dilepaskan dari atom dan bebas berkeliaran sendiri. Pada masa itu, alam semesta cukup hebat.
Tetapi kemudian ia semakin tua, semakin besar dan semakin sejuk. Dan pada usia tertentu, suhu dan tekanan turun di bawah ambang kritikal dan elektron dapat melekatkan diri pada atom tanpa segera tersingkir. Dalam sekelip mata, alam semesta menjadi telus terhadap radiasi, dan cahaya - secara harfiah putih-panas pada saat pembebasannya - berterusan hingga sekarang, merendam kosmos.
Tetapi hari ini cahaya telah kehilangan banyak wap dan mendinginkan hanya beberapa darjah di atas sifar mutlak, dengan kuat di jalur gelombang mikro. Ini "latar gelombang mikro kosmik"secara tidak sengaja ditemui oleh sepasang ahli fizik gelombang mikro pada tahun 1964, tetapi tanpa diketahui mereka sekumpulan ahli teori termasuk Peebles telah meramalkan keberadaannya. Ahli fizik gelombang mikro memenangkan Nobel pada tahun 1978, tetapi tidak pernah terlambat bagi jawatankuasa Nobel untuk mengenali ahli teori juga.
Perkara gelap
Pada tahun 1970-an, ahli astronomi Vera Rubin menemui sesuatu yang lucu sedang berlaku dengan galaksi: bintang-bintang di dalamnya mengorbit terlalu cepat. Dengan begitu cepat, sebenarnya, galaksi-galaksi itu seharusnya tersebar berjuta-juta tahun yang lalu. Tetapi di sana mereka, gembira seperti kerang.
Apa yang sudah terjadi? Tidakkah kita memahami sesuatu tentang sifat graviti pada skala yang hebat seperti galaksi? Atau adakah alam semesta mempunyai bahan tambahan yang telah disembunyikan kepada kita hingga pemerhatian Rubin?
Beberapa ahli astronomi, termasuk Rubin sendiri, berpendapat bahawa kita perlu mengubah undang-undang fizik untuk memperbaikinya. Tetapi yang lain, termasuk Peebles, menganggap ada lebih banyak galaksi daripada bertemu mata. Dia adalah salah satu penyokong paling awal dari apa yang sekarang kita sebut "benda gelap yang sejuk" - bentuk jirim yang baru yang tidak berinteraksi dengan cahaya (dan oleh itu tidak berinteraksi dengan perkara lain kecuali melalui graviti). Kami sekarang tahu bahawa perkara gelap menepati alam semesta, menyapu bahan normal dengan sekurang-kurangnya nisbah 5: 1.
Peebles dan kolaborator melakukan usaha menyelidiki apa maksud hipotesis baru ini dari segi tingkah laku galaksi, dan memberikan ujian yang bermanfaat bagi para pemerhati untuk menargetkan dan mengukur.
Hari ini, sementara kita masih belum memahami sepenuhnya masalah gelap - dan kita masih belum mengetahui identiti sebenarnya - bukti itu datang dari pelbagai sudut, termasuk kesan halus di latar gelombang mikro kosmik itu sendiri, bahawa bahan gelap adalah ramuan utama kita Alam semesta.
Struktur kosmik
Tetapi Peebles tidak berhenti dengan momen awal Big Bang atau komponen misteri dan tidak dapat dilihat ke alam semesta kita. Peebles menjadi besar - besar.
Kita melihat di alam semesta di sekeliling kita pelbagai jenis galaksi dalam pelbagai susunan yang menarik. Beberapa galaksi terikat bersama dalam kelompok raksasa, sementara yang lain adalah penyendiri. Sebilangan besar dan besar, dan yang lain kecil dan hampir tidak dapat dilihat. Dan apabila kita memperkecil skala yang paling besar, kita melihat banyak "web kosmik, "corak terbesar yang terdapat di alam semula jadi, struktur yang terbentang dari satu hujung alam semesta yang kelihatan ke ujung yang lain.
Jaring kosmik terbuat dari galaksi, dan seperti namanya, kelihatan seperti jaring labah-labah kosmik.
Bagaimana itu berlaku?
Peebles dan rakan-rakannya memimpin jalan untuk menjelaskan asal-usul jaring kosmik, mendapati bahawa struktur di alam semesta kita tumbuh perlahan dari masa ke masa, membangun dari bit yang lebih kecil hingga bit yang lebih besar dengan setiap eon yang berlalu.
Mereka menemui cara mencari petunjuk benih struktur di latar gelombang mikro kosmik, yang dapat dilihat sebagai variasi suhu kecil tidak lebih besar daripada 1 bahagian dalam 100,000. Variasi tersebut adalah lokasi kumpulan pertama dengan kepadatan yang sedikit lebih tinggi daripada rata-rata, di mana lebih banyak jirim (terutama bahan gelap!) Akan mengalir selama berjuta-juta tahun.
Akhirnya nugget kecil itu akan tumbuh menjadi galaksi, dan beberapa galaksi digabungkan untuk membentuk kelompok galaksi. Dan kerana semua barang yang digunakan untuk membina struktur besar ini mesti datang dari suatu tempat, kawasan kosong yang luas dibuka dan berkembang. Ini menjadi jurang dalam jaring kosmik, yang dikenali sebagai kekosongan.
Selama beberapa dekad, Jim Peebles telah menulis ratusan makalah dan berkolaborasi dengan ratusan ahli astronomi, astrofizik, ahli fizik, dan ahli kosmologi, dan dia adalah pemain kritikal dalam melukis potret alam semesta yang kini kita fahami.
- Hadiah Nobel dalam Fizik: 1901-Sekarang
- Perkara Gelap dan Tenaga Gelap: Misteri Yang Dijelaskan (Infografik)
- 11 Soalan Tidak Terjawab Tentang Dark Matter
Anda boleh mendengar podcast Ask A SpacemaniTunes, dan di Web di http://www.askaspaceman.com. Tanyakan soalan anda sendiri di Twitter menggunakan #AskASpaceman, atau dengan mengikuti Paul @PaulMattSutter dan facebook.com/PaulMattSutter. Ikuti kami di Twitter @Spacedotcom atau Facebook.
